Зачем нужны IoT устройства, что это вообще и почему за ними будущее

Продвинутые пользователи всемирной паутины, наверняка уже слышали о таком явлении, как «интернет вещей» или сокращённую аббревиатуру IoT устройства.

Основные критерии IoT как системы систем

У IoT-продукта есть свои особенности:

  1. Отсутствие единого product owner-a или ответственного за всю систему.
  2. Повышенные требования к полезности / ценности устройства – устройство должно обязательно добавлять ценность. Никто не собирается платить за устройство или подписку на услугу, если:

    — Устройство или сервис не работает должным образом;

    — Не привносит ценности в жизнь или работу пользователя;

    — Заставляет пользователя постоянно думать и заботиться об устройстве;

    — Не выглядит органично в каждодневной жизни пользователя.

  3. В разы увеличены сложность, цена ошибки и зависимости от всех смежных систем, по сравнению с другой электроникой. К примеру, если встроенный датчик гироскопа в девките не работает должным образом, то на выходе мы получаем неправильную информацию о положении продукта в пространстве.
  4. Повышенные требования к безопасности + многочисленные отраслевые требования и стандарты. Российский рынок не сильно зарегулирован, в то время как на Западе существуют тонны всяческих стандартов — это особенно применимо к IIoT (Industrial IoT).
  5. Мультидисциплинарность.

В разработку вовлечены представители разных направлений от компьютерных инженеров до UX-инженеров, необходимо дружить разным командам.

Введение

В настоящее время разработка встраиваемых приложений претерпела трансформацию, и одним из основных факторов, стоящих за этими изменениями, был и остается «Интернет вещей». В прошлом у кофеварки была примитивная электроника, задача которой ограничивалась управлением мощностью, нагревом воды или установками таймера для автоматического включения, чтобы утром вас ожидала чашка бодрящего свежезаваренного ароматного кофе. Сегодня кофеварки имеют функции, подобные смартфонам, такие как цветная графика и экраны. Что касается IoT-кофеварок, то теперь им нужен тот или иной способ подключения к Интернету и возможность управления через мобильные приложения со смартфонов.

«Интернет вещей» заставил разработчиков встраиваемых приложений пересмотреть свое отношение к созданию устройств, изменив и мышление, и сами подходы к проектированию таких продуктов. Прежде инженерам нужно было сосредоточиться лишь на интеграции датчиков и электронных периферийных устройств с микроконтроллером. Теперь же, с внедрением IoT-разработчики имеют дело с установлением подключения к Интернету, которое требует выбора между различными технологиями, такими как Ethernet, Wi-Fi и сотовая связь, и управления различными стеками протоколов, необходимыми для поддержки этих опций.

Словом, данная техническая комбинация, лежащая в основе технологии «Интернета вещей», действительно требует от разработчиков встраиваемых приложений пересмотра традиционных подходов. В статье, кроме общих вопросов и сопутствующих проблем, рассматривается и эволюция сотовых технологий для использования совместно с IoT-устройствами, а также то, как аппаратное обеспечение комплекта AE-CLOUD2 и пакет программного обеспечения из платформы Renesas Synergy Platform компании Renesas помогают специалистам успешно создавать приложения «Интернета вещей».

Индустрия IoT

От использования IoT-устройств получат выгоды следующие направления: — производство; — транспорт; — оборона; — сельское хозяйство; — инфраструктура; — розничные продажи; — логистика; — банки; — нефть, газ, добыча полезных ископаемых; — страховое дело; — умные дома; — производство продуктов питания; — обслуживание; — госпитали; — охрана здоровья; — умные постройки; — IoT-компании.

Индустрия IoT

Интернетом вещей занимаются уже сотни компаний, и их список в следующие несколько лет только расширится.

Читайте также:  Отключение оповещений от Фейсбук на смартфоне: инструкция

Для чего это нужно

Само название говорит, что технология относится к «интернету вещей». Она позволяет объединить в сеть различные стационарные устройства, с которых нужно периодически считывать информацию и/или отправлять на них команды. К таковым относятся, например, счетчики воды, показания которых будут считываться в автоматическом режиме и отправляться в биллинг управляющей компании, всевозможные датчики, системы мониторинга и прочее, вплоть до часов и собачьих ошейников.

Основная ниша применения — межмашинное взаимодействие (М2М) между низкоскоростными устройствами с небольшими объемами транслируемой информации, для которых критично малое энергопотребление и стабильная передача. К M2M-технологиям предъявляются следующие основные требования;

Для чего это нужно
  • дешевизна и простота клиентских терминалов;
  • долгая автономная работа (от батареек или аккумуляторов);
  • большое число абонентов на одну соту сети;
  • высокая безопасность передаваемой информации;
  • расширенная зона покрытия;
  • передача небольших пакетов, не боящихся некритичных задержек.

NB-IoT соответствует всем этим параметрам. Ориентировочная цена терминала составляет всего 5 USD (в среднем около 650 рублей за комплект из чипа и обвязки), а количество обслуживаемых сотой устройств может достигать 100 тысяч и выше.

Заявленная «дальнобойность» одного базового узла NB-IoT сети — до 15 км в условиях сельской местности. Эффективная дальность устойчивого приема меньше, в городе ее оценивают в 2–5 км. Хотя в 2018 г. в Австралии путем усовершенствования ПО базовой станции добились чтения телеметрии с NB-IoT датчика на расстоянии в 100 км.

Для чего это нужно

Популярные платформы на основе IoT

Один рабочий прибор соединяется с другим, и используется для передачи определённой информации через встроенный протокол в сети интернет.

Популярные платформы на основе IoT

В целом сами приборы служат «мостиком перехода» от сенсорного управления к сети передачи для базы сведений.

Популярные платформы на основе IoT

Укажем основные бренды, которые активно производят умные технологии (IoT):

Популярные платформы на основе IoT
  • Амазон;
  • Майкрософт;
  • ThingWorx;
  • IBM_Watson;
  • Cisco;
  • Salesforce;
  • Oracle_Integrated;
  • GE_Predix
Популярные платформы на основе IoT

В настоящее время на рынке появляются дополнительные бренды, которые активно завоёвывают рынок и предлагают свою продукцию потребителям.

Популярные платформы на основе IoT

Сфера применения гаджетов «интернет вещей»

Популярные платформы на основе IoT

Список, где применяются устройства IoT достаточно объёмный.

Популярные платформы на основе IoT

Даже трудно назвать такие отрасли, где бы ни применялись умные приборы.

Популярные платформы на основе IoT

Ниже мы опишем основные направления применения IoT устройств.

Популярные платформы на основе IoT

Телекоммуникации

Популярные платформы на основе IoT
  • Устройства для сегмента «телеком».
Популярные платформы на основе IoT

Умный дом

Популярные платформы на основе IoT
  • Оборудования для обеспечения интеллектуальной безопасности структурной части «Умного дома».
  • Комплексы оптимизации для управления ресурсами домохозяйств.
Популярные платформы на основе IoT

Умный автотранспорт

Популярные платформы на основе IoT
  • Сервисы индивидуальных перевозчиков класса fleet management (например, Uber);
  • Службы страхования в автоперевозках типа UBI;
  • Службы оценки реального технического состояния автотранспорта.
Популярные платформы на основе IoT

Торговля, банки и финансовая сфера

Популярные платформы на основе IoT
  • Комплексные задачи и решения автоматизированной передачи и анализа данных, например через POS-терминалы;
  • Служба управления средствами и запасами для различных домохозяйств (как отдельная служба).
Популярные платформы на основе IoT

Лесная отрасль

  • Регулирование данными по «зелёным ресурсам» через структуру аэрофотосъёмки.

Промышленный сегмент IoT

  • Рабочие технические процессы через структуру гаджетов, например, в РФ есть сервис АСУТП-IoT.

 Принципиально концепция развития «умных вещей» ставит перед собой задачу широкого применения концепции М2М (machine-to-machine), которая ранее в ряде стран, вплоть до 2016 года рассматривалась как отдельное направление (сейчас М2М рассматривается как часть структурного комплекса «интернет вещей»). 

Современное развитие сети NB-IoT

Из-за приверженности индустрии мобильной связи широкому кругу технологий на основе стандартов малой мощности (LPWA), основанных на стандартах 3GPP, проявляется резкий рост числа сетей, поддерживающих NB-IoT и LTE-MTC (LTE-M) в мире.

Читайте также:  Как обновить андроид на телефоне: 4 способа

Также проявляется значительный рост числа устройств, совместимых с NB1, и с недавнего времени выпуск чипсетов и модулей, совместимых с Rel. 14 (NB2).

Согласно информации Global Mobile Suppliers Association (GSA) и проведенному ими анализу состояния рынка связи, итоги к концу 3 квартала 2019 года следующие:

  • 142 развернутых / запущенных сети NB-IoT или LTE-M, которыми управляют 114 операторов;
  • 153 оператора активно инвестируют в технологии NB-IoT по сравнению со 141 оператором в апреле 2019 года, из которых 101 развернул/ коммерчески запустил сети NB-IoT (6 месяцев назад было 90);
  • 29 планируют, тестово запускают и/или разворачивают сети NB-IoT;
  • 23 оценивают/пробуют технологию NB-IoT.

При этом распределение рынка устройств следующее:

  • 230 устройств поддерживают NB1 (включая известные варианты), 103 из них поддерживают только NB1;
  • 7 идентифицированных устройств поддерживают NB2 (5 из которых дополнительно поддерживают Cat-M1, 6 из них также поддерживают обратный стандарт NB1).

При этом:

Итоговым выводом компания GSA заявляет, что технологии IoT 3GPP, в частности NB-IoT, станут глобальными доминирующими технологиями LPWA, которые обеспечат огромный рост рынка IoT.

С 2018 года в 3GPP уже идет работа над ! Планируется добавление частот B4, B14, B71, B72, B73, B74, B85.

Продукты на основе NB-IoT

В нашей стране более активно NB-IoT начал развиваться с 2016 года, хотя в Европе данные сети распространились еще раньше. Только в декабре 2017 года «Государственная комиссия по радиочастотам» приняла решение по выделению частот под NB-IoT.

Компания TELEOFIS преуспела в части проведения испытаний и выпуска коммерческого продукта на основе GSM/GPRS и NB-IoT технологий. В 2017 году при поддержке сотового оператора мы протестировали разработанное коммерческое устройство на базе уже существующей модели GSM/GPRS и представили рынку. Специально для созданного NB-IoT продукта установили отдельную Базовую Станцию (БС) возле нашего офиса. Это позволило наладить полноценный производственный процесс коммерческих изделий в самые сжатые сроки!

В данный момент TELEOFIS производит специализированное оборудование: Устройства сбора и передачи данных (УСПД)с импульсных приборов учета — RTU602, а также промышленные 3G роутеры RTU968 и 4G роутеры RTU1068, использующее данную технологию как дополнительный канал связи.

Быстрый старт

Начать лучше с регистрации бесплатного аккаунта на , но вы можете использовать любой MQTT брокер (главное, чтобы была возможность подключения через WebSockets), в том числе и установленный в вашей локальный сети.

Примечание: если вы хотите управлять устройствами из любой точки земного шара, для CloudMQTT дополнительно делать ничего не нужно, а вот в случае использования брокера в вашей локальный сети вам придется пробросить WebSockets порт брокера во внешний мир на вашем маршрутизаторе, но описание этого выходит за рамки данной статьи.

Предупреждение. Пожалуйста, не используйте имена пользователей и пароли из скриншотов в этой статье. Я сам ими реально не пользуюсь, сделал только для этой статьи. Если хотя бы два читателя одновременно запустят примеры с этими данными, то возникнет путаница и вы толком не сможете разобраться как все работает.

Читайте также:  Как использовать два телефонных номера на iPhone

После регистрации на  идем в Control Panel. Здесь нам нужно создать брокер кнопочкой Create, даем произвольное название брокеру, выбираем датацентр (Европа или США), тарифный план не трогаем (по умолчанию — бесплатный Cute Cat). Я создал сразу два: TEST в Европе и TEST2 в США.

СloudMQTT

Жмем на кнопку Details.

CloudMQTT

Здесь нас интересует только имя хоста  и WebSockets порт 30927 (для мобильного приложения), то же имя хоста и порт 10927 берем для скетча Arduino IDE нашего DIY устройства. Имя пользователя и пароль, в этом разделе, указаны для юзера облачного хоста, под которым крутится брокер mosquito, и вам их лучше не использовать в клиентах в целях безопасности. Нужно создать нового пользователя. Я сделал пользователя test с паролем test. Далее ему нужно дать права на чтение и запись на все топики (ставим просто #). В итоге должно получиться так:

CloudMQTT

В дальнейшем, после того, как все заработает, можете прописать права более детально. Можно сделать разных юзеров для мобильного приложения и IoT девайсов.

Идем далее. На этом шаге я бы посоветовал вам установить и настроить mqtt-spy, чтобы видеть все, что происходит на нашем брокере, но этот шаг не является обязательным.

Устанавливаем IoT Manager на ваш смартфон/планшет. IoT Manager не начнет работать до тех пор, пока вы не сделаете настройки подключения:

IoT Manager

Если вы все сделали правильно, то увидите сообщение об успешном подключении к брокеру и вас перебросит на главный экран приложения:

IoT Manager

Пусть вас не смущает No data — это нормально до тех пор, пока не запущены ваши IoT устройства, так как именно в них прописаны все настройки. Главное сейчас — это зеленый индикатор (в верхнем правом углу) успешного соединения с CloudMQTT.

Далее скачиваем с или  или оба скетча, если у вас под рукой две платы ESP8266. Исправляем в скетче WiFi SSID и пароль на ваши, вводим адрес вашего mqtt брокера, порт 10927 (не WebSockets), пользователя и пароль (test, test). В скетче Arduino IDE указывается адрес хоста, а не его имя. Чтобы узнать IP адрес любого хоста по его имени, можно в командной строке выполнить ping имя_вашего_cloudmqtt_хоста, и вы увидите необходимый вам адрес.

С помощью ESP8266 Arduino IDE заливаем все это в ESP8266.

Profit!

Примечание 1. Эти скетчи были набросаны мною по-быстрому и отнюдь не идеальны. В реальных проектах вам может потребоваться сохранение состояний GPIO, вы захотите подключить реальные датчики, а не бесполезный фоторезистор на ADC, оптимизировать код. Я не стал этого делать, чтобы не загромождать код, моей задачей было показать возможности приложения. Если у вас возникнет желание поделиться своими наработками — публикуйте свои работы на нашем форуме, это очень поможет новичкам и будет вполне интересно и для более опытных.

Примечание 2. Железо и прошивки ваших IoT девайсов могут быть любыми, не обязательно ESP8266. Это вполне может быть Arduino с Ethernet или WiFi шилдом, RaspberryPi или другое устройство. При использовании ESP8266 прошивка на борту может быть любой, лишь бы поддерживала MQTT для датчиков и/или HTTPS для push уведомлений. Мне, да и многим нашим читателям, было бы очень интересно увидеть различные примеры. Публикуйте свои работы на нашем форуме

IoT Manager